秸秆沼气发酵工程反应罐内传热分析

张少鹏， 韩瑞萍， 陈晶晶， 吴佳军， 周 俊， 王昌松

(1.南京工业大学 材料化学工程国家重点实验室，江苏 南京 210009； 2.南京工业大学 生物与制药工程学院，江苏 南京 211816； 3.南京工业大学 生物能源研究所，江苏 南京 211816)

秸秆沼气发酵工程反应罐内传热分析

张少鹏1， 韩瑞萍1， 陈晶晶1， 吴佳军1， 周 俊2,3， 王昌松1

(1.南京工业大学 材料化学工程国家重点实验室，江苏 南京 210009； 2.南京工业大学 生物与制药工程学院，江苏 南京 211816； 3.南京工业大学 生物能源研究所，江苏 南京 211816)

文章针对国内外广泛关注的秸秆沼气工程，基于热力学原理，结合实验和理论，对秸秆发酵系统中罐内温度分布进行了分析。结果表明，由于秸秆的加入，会导致体系内部温度不均匀性加重，8 wt%秸秆体系的总传热系数相比于纯水体系降低了17%，其原因主要在与秸秆自身特性与换热温差；另外冷物料的直接进料会加剧罐内温度波动，进口物料的预热处理和搅拌是解决秸秆发酵过程传热速率与效率低的主要方法。

沼气工程； 热力学； 秸秆； 传热速率与效率

我国作为农业大国，每年产生约7亿吨农作物秸秆，许多秸秆的不当处理，造成荒烧、河道阻塞和水体污染等较大的环境危害[1]。为了提高秸秆资源利用率，解决秸秆荒废造成的环境问题，各类秸秆综合利用技术都得到了快速发展[2]。其中以秸秆厌氧消化产沼气的处理手段能耗最低，生态与经济效益最佳，是中国沼气发展的主要方向之一[3-4]。

温度是沼气工程稳定运行，保持高效产气量的关键因素之一[5]。如在中温( 35℃)条件下，玉米秸秆日产气量、累积产气量、总干物质(TS)和挥发性有机物(VS)消化率均优于常温(环境温度)条件[6]。而且厌氧发酵反应时，操作温度以稳定为宜，波动范围一般一天不宜超过±2℃，中温或高温厌氧发酵允许温度变化范围为(±1.5℃～2℃)[7]。但现有的秸秆发酵沼气工程研究主要集中在原料预处理[8-10]、反应器结构[11-13].、接种[14-15]、发酵过程相分离[16]和发酵条件控制[17]等方面，同时现有沼气工程通常采用罐内加热的方式，存在结垢、传热速率慢等缺点[18-21]，但是由于成本低，运行简单等因素，目前国内沼气工程增温方式主要以内部盘管加热为主[22]。因此针对秸秆这一复杂发酵体系，罐内传热能力更加得到抑制，但现有研究缺乏针对秸秆体系的沼气工程传热分析。

笔者通过对南京工业大学浦口校区300 m3秸秆沼气工程温度的测量，结合实验和热力学理论，对比纯水和秸秆体系，对发酵罐内传热及影响因素进行分析；并探讨了秸秆沼气工程高效传热的解决方法。

1 实验与理论分析

1.1 实际沼气工程温度测试

南京工业大学300 m3秸秆沼气示范工程，进行了一系列相关温度测试，如下图1所示。

图1 300 m3示范工程发酵工艺图

1.2 实验设计

实验所用的原料主要分别为水和麦秸秆，其中麦秸秆预先粉碎到2 cm长度以下，秸秆体系固含量为8wt%。

如图2所示在140 L发酵罐中布置温度测点。本实验的测温点采取了2×8的分布方式，即在液体高度400 mm的140 L反应罐中，在纵向方位上从底部开始每隔50 mm由下至上布点，在同一层方向上分别是中心处，二分之一处由内至外布点，总共为16个点。通过常州安柏精密仪器有限公司生产的AT4516多路温度测试仪进行温度控制，并通过电脑实时采集数据。

发酵罐内加热采用铜管作为内盘管，方式为底部100 mm盘管加热。通过500 L的上海路达实验仪器有限公司生产的HWC-50恒温循环水槽以

图2 140 L发酵罐罐内温度点布置图

60℃的水加热；采用较大的恒温水槽，因而水槽中温度变化很小可忽略。

实验中采用单因素的实验方法，采用现实沼气工程罐内盘管底部加热方式，分别研究了纯水体系和秸秆发酵体系的温度场分布规律。

1.3 换热器传热基本公式

换热器稳态传热的基本方程：

Q=mCPΔt=KAΔTm

(1)

(2)

式中:m是流体质量流量， kg·s-1;Cp为流体比热容， J·kg-1K-1；Δt是冷流体进出口温差，℃；ΔT是热流体进出口温差，℃；K是总传热系数， W·m-2℃-1；A为总换热面积， m2;ΔTm是传热对数平均温差，℃[23]。

有效能效率(ηE)公式：

(3)

式中：Qc和Qh分别代表流体吸热与放热量， kJ·h-1；T0为环境温度，℃；T1，T2，t1，t2分别表示热流体和冷流体的进出口温度，℃；下标c和h分别代表冷热流体[24]。

2 结果与讨论

2.1 实际工程的数据

南京工业大学300 m3秸秆沼气示范工程以秸秆为发酵原料，采用中高温罐内底部盘管加热，罐体外保温，通过一个半月对该发酵过程冷物料进料对发酵温度的影响观察，如图3所示。

图3 300 m3示范工程冷料进料对发酵罐温度影响

从对上图3示范工程直接冷物料进料对高温发酵罐内上下层温度的影响分析可以看出，冷物料的直接进料导致罐内进出料前后温度波动>±1℃。温度的波动扰乱了罐内发酵菌群稳定环境，影响沼气工程的产气量[25-26]。

2.2 不同体系下罐内加热传热影响

2.2.1 不同体系不同加热位置对罐内传热的影响

实验中分别对纯水体系和接近实际发酵环境的8 wt%含量的秸秆体系进行实验，测定了两种体系加热温度分布情况，实验结果如图4和图5所示。

图4 水体系下底部加热不同层温度场分布

图5 秸秆体系下底部加热不同层温度场分布

图4和图5为对纯水体系和8wt%秸秆体系进行底部加热，罐内不同层面温度场分布图。可以看出，在加温过程中，发酵罐内温度均稳定上升同时盘管上部由于是对流传热，而下部是传导传热，因此在盘管上部的温度明显高于下部。但纯水体系，盘管上部不同层面的温度变化是一致的；而当秸秆加入时，被加热料液每一层的温度分布呈现不均匀性。这说明秸秆的加入影响了流体的对流，导致温度分布不均匀。在实际的秸秆沼气中，由于秸秆引起的温度不均将进一步影响菌群生长和发酵效率。

2.2.2 加热过程中传热速率和传热推动力—传热温差

对实验中不同加热体系罐内盘管底部加热层(100 mm)温度分布及温升速率、盘管进出口温差随时间的变化按照公式(2)进行了分析，具体分析结果见下图6和图7。

图6 纯水与秸秆体系温升速率v随时间t变化

图7 纯水与秸秆体系传热温差△T随时间变化

从图6可以看出，随着加热时间的延长，两体系温度升高。 在纯水体系中随着加热时间延长罐内温度的升高并最终稳定在50℃，系统热量达到平衡，而秸秆体系还未达到平衡状态。同时，两体系的温升速率随时间显著下降。但在180 min之前水的温升速率大于秸秆的，而在180 min之后秸秆的升温速率高于水的。

从图7可以看出，秸秆体系传热温差一直大于纯水体系，但是随着时间的变化，纯水和秸秆的传热温差差异逐渐变大，在180 min差异最大，也就是说180 min以后传热温差引起的传热推动力起主导因素。

因此结合两图可以看出，在加热起始阶段，由于秸秆的加入，成为影响传热速率的主要因素；随着加热的进行，由于水的传热速率大，导致水体系的传热温差迅速减小，此时固含量对传热速率的影响小于换热温差的影响，导致秸秆体系的传热速率高于水体系的。也就是说，在秸秆体系升温过程中，秸秆含量和换热温差是影响升温的主要因素。

2.2.3 总传热系数K

图8是根据公式(1)按照热力学第一定律对纯水体系和TS为8 wt%的秸秆体系加热过程的传热系数K的分析，从图中可以看出相比纯水体系，在相同的加热条件下，由于秸秆的加入其温度上升速率变缓，总传热系数K减小，当温度达到稳定时，总传热系数降低了约17%，稳定在300 W·m-2K-1附近。

图8 水体系和秸秆体系下加热过程传热系数K的变化

2.3 讨论

上述的实验结果和热力学分析表明，秸秆加入使得体系温度不均匀，总传热系数下降；且秸秆含量和温差是影响升温的主要因素。而搅拌和进料预热是改善和提高传热效率的有效手段[27-28]。

2.3.1 物料预热处理对传热推动力的影响

先前的工作[28]基于热力学第一、二定律对物料预热处理的对传热能效进行了分析，得出物料预处理可极大地提高有效能的利用，降低罐内加热的不可逆性，减少能量的损耗。而对物料预热处理对传热速率的影响缺乏，因此下面对秸秆体系物料预热处理对传热的影响进行了分析。

以南京工业大学江浦校区300 m3秸秆沼气示范工程为例。工程运行数据如下：环境温度T0=15 ℃，物料进口温度t1=19 ℃，出口温度t2=37 ℃，物料流量为Vc=8.5 m3·h-1，盘管进水口温度T1=60 ℃，出口温度T2=40 ℃，热水流量为Vh=8 m3·h-1。根据公式(1)可以得出，该示范工程罐内盘管加热热效率ηa可达97%，热损失QL为21401 kJ·h-1。

对于秸秆体系,在相同的工况下，在盘管加热传热效率ηa不变(即传热效果相同)时,根据公式(2)和公式(3)分析了改变物料的进口温度对罐内加热传热速率和效率的影响，如下表1所示。

表1 冷物料进口温度(t1)对系统传热速率和效率影响

从表1可以看出，当提高冷物料的进口温度时，罐内盘管换热不可逆性降低，有效能损失减少，有效能传递效率提高了约15%；而传热温差减小了约7%，也就是说传热速率减小了，但是相较传热效率的提升，物料预热处理可以显著提高能量的利用率，最大化利用有限能量。

另一方面，物料预热处理对维持发酵罐内温度的稳定起到很好的作用[29]。通过对不同环境下冷物料进料对罐内发酵温度的影响理论分析，如下表2所示，可以看出随着环境温度的下降，冷物料无预热直接进料导致罐内温度波动普遍大于±1℃，高温发酵更明显，仅有在高温季节如夏季中温发酵波动小。

表2 不同环境温度下进料对罐内发酵温度波动影响(℃)

因此，物料预热处理一方面可以提高有限能量的有效利用，另一方面可以保证罐内发酵菌群稳定的生存环境，从而保证沼气工程的产气速率和产量。

2.3.2 搅拌对传热的影响

在发酵工程中，搅拌作为一种提高产气产量和速率的方法被广泛应用[30]。搅拌的介入加速了罐内料液的流动，一方面可以强化传热速率，消除罐内温度不均，另一方面对高固含量的发酵体系物质均匀性有着显著增强，可促进生化反应的正常进行和沼气的逸出，而且之前的文章分析认为[28]，低速的搅拌更有效和节能。

机械搅拌虽然在节能等方面有着优势，但目前机械搅拌还没有在大容量厌氧反应罐内应用，最主要的因素是由于机械搅拌的局部剪切力大[31]，对发酵微生物的生长发酵微生物不利，同时随着发酵罐的放大，机械搅拌的搅拌作用削弱，特别是针对秸秆这类更易在发酵罐上层结壳的发酵原料，产气速率和效率下降明显[32]。而近几年，由于秸秆问题的不断严重化，秸秆发酵被放在日程上，但秸秆发酵产气速率低、产气量不足的问题制约着秸秆发酵处理；其中在发酵过程结壳问题是一个影响产气速率和产量的关键因素，因此，气液水力联合搅拌成为一种新的搅拌方式被各国所研究推广[33]。

综上所述，搅拌和原料进口预热处理是解决秸秆发酵过程“固含量”和“换热温差”博弈的有效方法，可以极大提高秸秆发酵体系传热速率和减弱罐内料液的温度波动，从而提高沼气的产量。虽然气液水力搅拌可以很好起到物料搅拌均匀的作用，但是过程也存在能耗高等问题，因此关于秸秆体系的搅拌，如何更有效和节能，还需要进一步研究。

3 结论

笔者通过实验与理论相结合，对沼气工程秸秆体系的传热进行分析，得出如下结论：

(1)在秸秆体系加热过程中，由于秸秆的影响，会导致系统中温度不均匀；初期对传热速率的影响为秸秆(固含量)，后期为换热温差减少引起的传热速率下降； 8 wt%秸秆体系的总传热系数相比于纯水体系的传热系数降低了17%。

(2)冷料对沼气工程温度波动影响很大，尤其是冬天或者高温发酵的情况，温度的波动会大于±1℃；进口物料的预热处理和搅拌是解决秸秆发酵过程传热速率与效率低的主要方法。

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The Heat Transfer Analysis for Straw Biogas Fermentation System /

ZHANG Shao-peng1, HAN Rui-ping1, CHEN Jing-jing1, WU Jia-jun1， ZHOU Jun2,3， WANG Chang-song1/

(1.State Key Laboratory of Materials-Oriented Chemical Engineering, Nanjing Tech University, Nanjing 210009, China; 2.School of Biotechnology and Engineering, Nanjing Tech University, Nanjing 211816, China; 3.Bioenergy Research Institute, Nanjing Tech University, Nanjing 211816, China)

As a widely concerned straw biogas plant, this paper analyzed the temperature distribution and heat transfer rate/efficiency in the reactor based on thermodynamics and experiments. It was found that the temperature inhomogeneity was aggravated inside the reactor due to the adding of straw. Comparing with the water system, the 8 %(wt)straw system reduced the total heat transfer coefficient (K) by 17%. The key reasons were because of straws’ itself characteristics and the heat transfer temperature difference(Δtm). In addition, cold feedings will increase temperature fluctuations within the tank.Preheating the feedings or stirring may solve the problem of low heat transfer rate and low efficiency for straw fermentation.

biogas plant; thermodynamics; straw; heat transfer rate and efficiency

2016-04-28

2016-06-07

项目来源： 国家重点基础研究发展计划 (2013CB733500-3/4)； 江苏高校优势学科建设工程。

张少鹏(1987-)，男，汉族，硕士研究生,主要从事生物质发酵工程热利用研究等工作，E-mail:Shaopeng2016@126.com 通信作者： 王昌松，E-mail:wcs@njtech.edu.cn

S216.4; X712

B

1000-1166(2017)03-0050-06